2005年7月29日、 K-1 WORLD GP 2005 in HAWAIIでヘンゾ・グレイシーとミドル級契約で対戦し、判定勝ちを収めた。
UFC復帰

2005年11月19日のUFC 56でUFCと和解したペンが復帰することが発表された。
サンピエール第1戦

2006年3月4日、2年1か月ぶりのUFC復帰戦となったUFC 58でジョルジュ・サンピエールと対戦し、一進一退の攻防の末に1-2の僅差判定負け。
ヒューズ第2戦

2006年9月23日、ジョルジュ・サンピエールの負傷により代役としてUFC 63のUFC世界ウェルター級タイトルマッチで王者のマット・ヒューズに挑戦。打撃や変形三角絞めなどで序盤は圧倒しながらも2Rに呼吸困難になるほど肋骨を痛め失速、3RにパウンドによるTKO負けを喫し王座獲得に失敗した。

2007年、「The Ultimate Fighter」のシーズン5でジェンス・パルヴァーと共にそれぞれのチームのヘッドコーチを務め、コーチ対決となった2007年6月23日のフィナーレでジェンス・パルヴァーと対戦、チョークスリーパーで一本勝ちし、5年半ぶりにリベンジを果たした。
UFC世界ライト級王座獲得・二階級制覇

2008年1月19日、UFC 80のUFC世界ライト級王座決定戦でジョー・スティーブンソンと対戦。1Rに右肘打ちで大流血に追い込み、最後はチョークスリーパーで一本勝ちを収め王座獲得に成功、ランディ・クートゥアに続くUFC史上2人目の2階級制覇を達成。サブミッション・オブ・ザ・ナイトを受賞した。当初は暫定王座決定戦として予定されていたが、王者ショーン・シャークがUFC 73においての薬物検査失格で王座を正式に剥奪されたため、正王者の決定戦にスライドする形となった。

2008年5月24日、UFC 84のUFC世界ライト級タイトルマッチで挑戦者のショーン・シャークと対戦。スタンドの攻防で優位に立ち、3ラウンド終了間際に飛び膝蹴りでダウンを奪うとパウンドを連打、ラウンド終了によりKOはできなかったものの、そのダメージでシャークは試合を続行できず、3R終了時のTKO勝ちにより王座の初防衛に成功した。試合後のマイクでは「Do you want GSP?」と観客を煽り、ジョルジュ・サンピエールとの再戦をアピールした。
サンピエール第2戦

2009年1月31日、ライト級王座を保持したままUFC 94のUFC世界ウェルター級タイトルマッチで王者のジョルジュ・サンピエールに挑戦。「現代MMA最高の一戦」と銘打たれた試合であったが、拮抗した1R以降は終始ポジショニングで優位に立たれ、パウンドによるダメージの蓄積で4R終了時にコーナーストップによるTKO負けを喫し王座獲得に失敗した。

試合後、ペン陣営は「インターバル中にサンピエールのセコンドがサンピエールの顔にワセリンを塗った手で直後に背中をさすった」（その場で直ぐに背中と胸のワセリンがネバダ州アスレチック・コミッションにより拭き取られ、セコンドも注意を与えられている）として提訴したがネバダ州アスレチック・コミッションは違反ではないと判断を下した[5]。この事がきっかけとなり後にルールが改正され、選手のセコンドによるワセリンの塗布が禁止されワセリンを選手に塗布出来るのは公式のカットマンのみとなり、オクタゴンに入る際に、選手はカットマンによりワセリンを塗布された後はセコンドとハグなどの接触が一切禁止されるようになった[6]。

2009年8月8日、UFC 101のUFC世界ライト級タイトルマッチで挑戦者のケニー・フロリアンと対戦。4Rにチョークスリーパーで一本勝ちし、2度目の王座防衛に成功。サブミッション・オブ・ザ・ナイトを受賞した。

2009年12月12日、UFC 107のUFC世界ライト級タイトルマッチで挑戦者のディエゴ・サンチェスと対戦。一度もテイクダウンを許さず、終始打撃で圧倒。最終ラウンドに右ハイキックで額をカットさせてドクターストップによるTKO勝ちを収め、3度目の王座防衛に成功した。

2010年4月10日、アブダビで開催されたUFC 112のUFC世界ライト級タイトルマッチで挑戦者のフランク・エドガーと対戦。5Rを戦い0-3の判定負けにより王座防衛に失敗、2年余りに渡って保持していたライト級王座を失った[7]。海外のMMAメディアサイトの採点では9人中8人の記者がペンの勝利を支持したが[8]、非常に判定の難しい試合内容であり、手数ではエドガー、有効打ではペンと意見の分かれる判定となったため、すぐに再戦が組まれることとなった。

2010年8月28日、UFC 118で王者のフランク・エドガーとダイレクトリマッチとなるUFC世界ライト級タイトルマッチに挑むが、全ラウンドを通じて手数とテイクダウンの数で上回られ、0-3の判定負けを喫し王座獲得に失敗した[9]。
ヒューズ第3戦

2010年11月21日、階級をウェルター級に上げUFC 123でマット・ヒューズと対戦。右ストレートからのパウンドで21秒KO勝ち。ノックアウト・オブ・ザ・ナイトを受賞した。ヒューズとのラバーマッチであり、通算戦績を2勝1敗とした[10]。

2011年2月27日、UFC 127でジョン・フィッチと対戦し、0-1の判定ドローとなった[11]。

2011年10月29日、UFC 137でニック・ディアスと対戦し、0-3の判定負け。敗れはしたものの、ファイト・オブ・ザ・ナイトを受賞した。試合後に「ニックには脱帽だよ。彼は男だ。みんなが俺をこの場所で見るのは恐らくこれが最後だ。俺はトップレベルでのパフォーマンスを続けることが出来なくなった。娘もいるし、もう一人生まれてくる予定なんだ。こんな風になって家に帰りたくはないんだ。」と引退を示唆するが[12]、3日後の11月1日には、暫らく休養を取るつもりだが引退を正式に決めたわけではないと自身の公式サイトで発表し[13]、その後ペンのマネージャーにより現役続行が発表された[14]。

2012年12月8日、UFC on FOX 5でローリー・マクドナルドと対戦するも、2RにはボディーブローでKO寸前にまで追い詰められ、0-3の判定負けを喫した。

2014年4月から放送が始まった「The Ultimate Fighter」のシーズン19でフランク・エドガーと共にそれぞれのチームのヘッドコーチを務めた。

2014年7月6日、階級をフェザー級に下げThe Ultimate Fighter 19 Finaleでコーチ対決としてフェザー級ランキング3位のエドガーと通算3度目の対戦。ペンはこの試合のためにノヴァウニオンに復帰をしてアンドレ・ペデネイラスのコーチの下、ヘナン・バラオンやジョゼ・アルドとトレーニングキャンプを行っていたが、試合はエドガーに終始圧倒され、3RTKO負け。試合後には「俺は今夜ケージに戻ってくるべきではなかった。ダナ・ホワイトはもう終わりだと言っていたけど、同意しなければならない」と語り、引退を表明した[15]。

2016年6月5日、UFC 199でコール・ミラーとの対戦が決まっていたが、米国アンチドーピング機関（USADA）が3月25日に競技外抜き打ち検査を実施した際に、ペンがグルタチオンを点滴した事をUSADAの検査官へ報告したところ、グルタチオンは禁止薬物ではないが、点滴行為自体がドーピング規定に違反する行為だとして、6か月の出場停止処分を受けた[16]。ペンはこの事について、グレッグ・ジャクソンのチームドクターにトレーニングの疲労から来る視力の低下やめまいの診断を受けたところ、グルタチオンを点滴投与することを勧められた為、グルタチオンがUSADAの禁止薬物リストに記載されていないことを確認した上で点滴投与したが、計量後の点滴が禁止されたことは知っていたものの、点滴が計量後だけでなく365日1年を通して禁止だったことを知らずに点滴を使用してしまったと弁明した[17]。

2017年1月15日、2年6か月ぶりの復帰戦となったUFC Fight Night: Rodriguez vs. Pennでフェザー級ランキング10位のヤイール・ロドリゲスと対戦し、パウンドでTKO負け。

2018年12月29日、階級をライト級に戻しUFC 232でライアン・ホールと対戦し、ヒールフックで一本負け。自身初の一本負けを喫した。

2019年5月11日、UFC 237でクレイ・グイダと対戦し、判定負けを喫した。7連敗となった。

2019年9月、ペンがハワイの路上で平手打ちを貰ってダウンする動画と、ペンが殴った男のバックマウントを取ってパウンドを落とす、2本の動画がTMZ Sportsで記事になる。ペンはその動画について、ペンを平手打ちで殴った男は幼い頃からの友人だが、店で飲んでいたところその友人が突然怒り出し喧嘩をふっかけてきたので、外へ連れ出して、落ち着かせるためにハグをしたが殴られ、それを何度か繰り返してるうちにダウンをしてしまい、起き上がるとまだその友人が殴って来たので、自分の身を守るためにバックマウントを取ってパウンドを落としたのだと釈明をした。また、動画をリークした持ち主に一部を切り取ったものではなく今回の件の全体像がわかるように全編の動画を出して欲しいと訴えた。なお警官が駆けつけたものの、友人とペン両者ともに被害を訴えなかったためどちらも逮捕されず、捜査もされなかった[18][19]。

2019年9月27日、UFCからリリースされた[20]。